树莓派使用HC-SR04超声波测距

Posted 2023-05-28 LxFly

超声波模块介绍

  超声波测距原理很简单：
  1、通过记录发送超声波的时间、记录超声波返回的时间，返回时间与发送时间相减得到超声波的持续时间。
  2、通过公式：(超声波持续时间 * 声波速度) / 2就可以得出距离；

  HC-SR04参数：
  工作电压： 5V
  工作电流：15mA
  最短测量距离：3cm
  最长测量距离：4m
  角度15度
  Trig引脚输入信号：10us TTL 脉冲
  Echo引脚输出信号：5v脉冲信号

超声波模块接线与工作过程

接线：

  总共4引脚：2电源引脚（Vcc、GND）和2个控制引脚Trig、Echo；
  Vcc为5v供电
  Trig引脚用于接收树莓派信号，可接所有GPIO口。
  Echo引脚用于发送测距结果给树莓派，可接所有GPIO口，返回5v信号。

测距工作过程：

  1、树莓派向Trig引脚发送持续10us的脉冲信号；
  2、HC-SR04发送超声波，将Echo置位高电平，准备接收超声波返回；
  3、HC-SR04收到超声波返回把Echo置位低电平；

程序实现

  通过上面HC-SR04超声波测距模块使用过程，原理的分析，使用Python很容易就写出了超声波测距的Demo程序，具体实现如下：
  程序的关键点：
  1、获取超声波发送时的时间
  2、获取超声波返回时的时间
  3、把超声波发送与返回的时间差带入公式：(超声波持续时间 * 声波速度) / 2 即可得到距离

Trig_Pin = 14
Echo_Pin = 4

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
#设备GPIO工作方式IN/OUT
GPIO.setup(Trig_Pin,GPIO.OUT,initial = GPIO.LOW)
GPIO.setup(Echo_Pin,GPIO.IN)

def ultrasonic():
    #发送高电平到Trig引脚
    GPIO.output(Trig_Pin,GPIO.HIGH)
    #持续10us 微秒
    time.sleep(0.00001)
    GPIO.output(Trig_Pin,GPIO.LOW)
    #记录发送超声波时刻,发送前Echo_Pin为低电平，当变为高电平是说明超声波已发送
    while GPIO.input(Echo_Pin) == GPIO.LOW:
        pass
    t1 = time.time()

    #记录收到返回超声波时刻，当Echo_变为低电平时说明超声波已经返回
    while GPIO.input(Echo_Pin) == GPIO.HIGH:
        pass
    t2 = time.time()

    #超声波往返时间：t2-t1
    #声波在空气中传播速度340m/s 记录时间 t 来回 2
    #高电平时刻时间减去低电平时刻时间，得到超声波传播时间，单位转换为厘米乘以100
    distance = (t2-t1) * 340 *100 /2
return distance

《树莓派项目实战》第六节 使用超声波模块测距

目录

6.1 引脚介绍

6.2 工作原理

6.3 使用注意

6.4 连接到树莓派

6.5 编写代码输出距离

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在本节，我们将学习如何使用HC-SR04超声波模块测量前方障碍物的距离，该项目设计到的材料有：

1. 树莓派 * 1
2. 面包板 * 1
3. 杜邦线若干
4. HC-SR04超声波模块* 1

6.1 引脚介绍

从上图我们可以看到超声波模块的4个引脚，它们的作用罗列如下：

1. VCC: 电源引脚，超声波模块工作电压为5伏。

2. Trig: 是Trigger(触发)这个单词的缩写，该引脚用于触发超声波脉冲。

3. Echo: 该引脚会在高电平和低电平之间转换，当检测到障碍物时，在高电平保持的时间就表示信号发射出去并反射回来的时间。

4. GND: 接地引脚。

6.2 工作原理

如果超声波模块前方没有障碍物，约4米），那当Trig引脚发射10μs的超声波脉冲后，Echo引脚会开始产生一个高电平并持续38毫秒，之后就会处于低电平状态，所以当得到38ms这个值时，我们就知道前方没有检测到障碍物了。

如果前方有障碍物，那在Trig引脚发射10μs的超声波脉冲后，信号就会反射回来，Echo引脚就会在接收到信号时立即切换到低电平状态，此时Echo引脚在高电平状态保持的时间就是信号发射并返回的所花的时间。

我们知道距离=速度 * 时间，要求出超声波模块到障碍物之间的距离，我们就需要知道速度和时间。速度就是340m/s，也就是声音在空气中传播的速度，转换城cm/μs单位就是0.034 cm/μs。时间的话，由于我们得到的是信号从发射到返回的时间值，所以需要除以2。

最终得到的计算公式为距离 =  0.034 cm/μs * 时间(μs) / 2

6.3 使用注意

以下情况可能会导致距离检测失败：

1. 目标障碍物太小。

2. 目标障碍物距离太远，超过13英尺（大约4米）。

3. 发射的信号以一定倾斜角度（小于45°）接触目标障碍物，导致信号无法被反射回来，如下图所示。

4. 目标障碍物材质特殊（比如毛绒玩具），可能会吸收信号，而不是将反射回来。

6.4 连接到树莓派

我们将超声波模块插到面包板上，然后连接引脚：

• VCC引脚连到树莓派的2号5V引脚。
• Trig引脚连到树莓派的16号GPIO引脚。
• Echo引脚连到树莓派的18号GPIO引脚。
• GND引脚连到树莓派的14号Ground引脚。

6.5 编写代码输出距离

import time
import RPi.GPIO as GPIO


# 设置编码方式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 设置Trig和Echo的引脚编号
Trig = 16
Echo = 18

# 设置引脚模式
GPIO.setup(Trig, GPIO.OUT)
GPIO.setup(Echo, GPIO.IN)

def get_distance():
    # Trigh引脚发射10μs的超声波脉冲
    GPIO.output(Trig, GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.1)
    GPIO.output(Trig, GPIO.LOW)

    # Echo引脚检测反射信号
    while GPIO.input(Echo) == GPIO.LOW:
        start_time = time.time()

    while GPIO.input(Echo) == GPIO.HIGH:
        end_time = time.time()
    
    # 持续时间大于38毫秒的话
    # 就表明前方无障碍物或者障碍物太远
    duration = (end_time - start_time)
    if duration * 1000 > 38:            # 将秒转换成毫秒
        return
    
    # 返回以cm为单位的距离值
    return 0.034*duration*1000000/2    # 将秒转换成微秒


if __name__ == "__main__":
    try:
        while True:
            distance = get_distance()
            if distance:
                print(f"障碍物距离是distance:.2fcm")
            else:
                print("前方无障碍物或障碍物离得太远！")
    except KeyboardInterrupt:
        print("停止检测")
        GPIO.cleanup()

我们重点来看下get_distance()函数。在发射了10μs的信号后，我们就分别通过start_time和end_time两个变量记录Echo引脚处于高电平状态的开始和结束时间。接着，将start_time减去end_time得到信号从发射到回来的时间间隔（单位：秒），保存到duration变量中。如果duration的值大于38毫秒，那么就表明前方没有障碍物或者障碍物离得太远；否则的话就通过0.034*duration*1000000/2计算得到目标障碍物的距离（单位：厘米）。

运行截图如下：